Research Progress of Biomimetic Micro/Nanomotors in the Biomedical Field
The application of micro/nanomotors in biomedicine has garnered widespread attention in recent years. The integration of vesicles with micro/nanomotors holds significant potential in the biomedical field. Due to the self-propelling nature of micro/nanomotors and the excellent biocompatibility of vesicles, they have been applied in areas such as drug delivery, photothermal therapy, and detoxification. This article reviews the preparation methods of micro/nanomotors combined with vesicles, as well as the driving forces, coupling methods, and applications of micro/nanomotors integrated with different types of vesicles. In summary, micro/nanomotors combined with vesicles are expected to advance the application of micro/nanomotors in biomedicine and promote their clinical translation.
Micro/Nanomotors
近年来,合成微/纳米马达的开发与应用取得了巨大的进展。合成微/纳米马达是一种可将其他形式的能量转化为机械能来推动自身的小型自驱动设备,可在不同介质中执行复杂的任务
将合成微纳米马达的自驱力与天然细胞所具有的独特的生物学功能相结合,得到了类细胞微/纳米马达
在本综述中,重点讨论了结合囊泡的微/纳米马达的制备以及在生物医学中的应用。囊泡在机体中有着至关重要的作用,利用囊泡与微/纳米马达相结合,可以解决合成微/纳米马达在体内生物相容性低、具有生物污染性等问题,同时赋予其更为广泛的特性,提高了微/纳米马达的性能。不同来源及类型的囊泡使得具有广泛适用性的微/纳米马达的开发成为可能,结合囊泡的微/纳米马达在药物递送、解毒、癌症治疗等方面都已显示出强大的效果。下文对于结合囊泡的微/纳米马达的制备、发展、功能及代表性的应用进行了回顾,并且讨论了前景与发展机遇。
结合囊泡的微/纳米马达的设计与制造对于其在生物医学中的应用是尤为重要的,首先囊泡作为一种细胞膜模拟物,所以微/纳米马达与囊泡如何结合是需要引起考虑的问题,再者马达进入机体之后需要利用自驱动力产生运动以完成复杂的任务,所以其驱动方式是另一个需要考量的因素。在本节中,重点讨论了结合囊泡的微/纳米马达的囊泡来源、微/纳米马达与囊泡的结合方式及微/纳米马达的驱动力来源。
囊泡包括天然细胞来源的细胞外囊泡也包括通过工程化方法制备的工程化囊泡与聚合物囊泡。细胞外囊泡根据其来源可分为核内体来源的外泌体与质膜来源的胞外体,根据其大小可分为大、中、小三型。其中以凋亡小体、微囊泡、外泌体最为常见
工程化囊泡是一种通过表面改造或用功能配体修饰以实现将内外源性分子、药物、蛋白质或核酸负载到EVs的表面或腔内,或实现将小细胞外囊泡靶向特定类型的细胞或组织,从多角度多方面改善小细胞外囊泡的递送性能
为了更好发挥微/纳米马达的作用,就需要以一种可靠的方式将微/纳米马达与囊泡结合起来。近年来,很多研究者注意到了生物膜直接涂敷于纳米颗粒可有效提高纳米颗粒的免疫原性,据此而发展出了一种细胞膜包被的纳米医学平台。细胞膜对于纳米颗粒的包被可通过细胞膜与微/纳米马达产生的静电吸附作用使之与马达产生牢固的结合。Gorgoll等人通过静电相互作用将金纳米粒子(NP)吸附于直径约30 nm的疏水性脂质双层囊泡,得到NP-囊泡杂化物
结合囊泡的微/纳米马达根据所结合的囊泡种类不同也可相应地分为不同类型,本节从囊泡种类出发,对不同种类的结合囊泡的微/纳米马达进行了叙述。
脂质体是由卵磷脂和神经酰胺等制得,具有双分子层结构,可有效包被及运输活性物质以及可有效穿透细胞膜与各种生物屏障,具有良好的生物相容性及生物安全性。脂质体已广泛应用于药物递送,在肺部疾病、糖尿病及癌症等领域均有应用
结合脂质体的纳米马达利用脂质体本身的高流动性与生物相容性,大多采用酶驱动的方式进行自推动运动,一方面利用脂质体对生物酶的保护作用延长了纳米马达的作用时间,另一方面得益于纳米马达的自驱动性而使得脂质体对纳米粒子的递送效率进一步增加。
结合细胞膜的微/纳米马达可由多种机制驱动,其制造过程包括细胞膜囊泡的制备、微/纳米马达的制备以及细胞膜囊泡与微/纳米马达的结合。本节主要关注不同类型微/纳米马达的驱动力来源与制备。
红细胞(RBC)是数量最多的一类血细胞,具有运输氧气、二氧化碳及免疫功能,由于红细胞易于获取,并且免疫细胞对其清除有限,红细胞膜一类较为理想的纳米粒子包被来源
近来红细胞膜包被的微/纳米马达在生物医学应用广泛。将红细胞的高携氧能力与金纳米线纳米马达(AuNW)相结合用于细胞内氧气的主动递送
此外,Sao等人将肝素与壳聚糖以逐层自组装的方式构建了可降解的生物相容性胶囊
血小板是血液的另一主要组成部分,又称为血栓细胞,血小板膜类似于其他细胞膜,但其磷脂作为疏水核心排列于脂质双层结构中
Li等人提出了一种由血小板膜包被的纳米马达(PL马达)
利用血小板膜包被微/纳米马达可在药物递送中防止药物泄漏与发生脱靶现象,提高给药效率。Huang等人制备了一种基于Janus介孔二氧化硅(JAMS)可载药的多孔纳米马达,以血小板膜包被防止药物泄漏,用于动脉粥样硬化治疗
白细胞是血细胞的另一重要部分,包括中性粒细胞、树突状细胞、T细胞、B细胞及巨噬细胞等
癌细胞由于其细胞膜上存在特异性的抗原可以产生靶向作用
近来Zhou等人将DOX加载至半yolk@spiky壳二氧化碳硅纳米马达中
外泌体是由各种细胞分泌的直径30~150 nm的一种囊泡,其在细胞间通讯的很多生物过程中均有重要作用
Wang等人也将外泌体与纳米马达结合起来形成了一种工程外泌体用于帕金森病(PD)治疗
聚合物囊泡是一类由嵌段共聚物自组装构成的具有中空球体结构高分子聚集体。口型红细胞是聚合物囊泡的一种,现已广泛用于与微/纳米马达结合。Tu等人通过功能性嵌段共聚物自组装形成了口型红细胞,后有通过在其中加入铂纳米颗粒形成了光敏聚合物纳米马达
聚合物囊泡纳米马达在癌症治疗中的作用近来也有一些报道,Cui等人利用NIR激发过氧化氢驱动的口型细胞纳米马达用于癌症的光热治疗
在本综述中,对结合囊泡的微/纳米马达的制备,囊泡来源以及纳米马达的种类等进行了阐述。将具有自驱动力的微/纳米马达与囊泡这种具有一定生物相容性的材料结合为微/纳米马达在体内进行一系列的操作提供了相当大的希望,为微/纳米马达的生物医学应用奠定了基础。尽管这些微/纳米马达在生物医学应用中已展现出了其特有的优势,但在体内成像、长期发挥作用以及临床转化等方面仍存在种种问题。对于未来结合囊泡的微/纳米马达的发展应更多地着眼于多学科的合作,克服其现有的障碍,使结合囊泡的微/纳米马达具有更多的新的功能以推动微/纳米马达及纳米医学的发展。
重庆市研究生科研创新项目(CYS23346);重庆医科大学口腔医学院研究生科研创新项目(KQY202303)。
*通讯作者。